利用海洋环境噪声信号单模特征反演海洋声学环境参数

The acquisition of ocean acoustic environmental parameters is of great significance for underwater acoustic activities. Only one active sound source and one hydrophone are needed to invert the ocean acoustic environment parameters by using the single mode characteristics of normal modes, but the active sound source has defect in the disguise when working, restricting the application of this technology in military activities to some extent. Aiming at this problem, this project focus on the passive acquisition of ocean acoustic environmental parameters based on the single-mode characteristics of ocean ambient noise signals. Firstly, the Green’s function is recovered using the noise interferometer technology, the single mode characteristics of noise signal can be extracted by applying warping transform to the Green’s function, furthermore, the sensitivity of single-mode characteristics of noise signals to the environmental parameters is analyzed, on this basis, an ocean acoustic parameters inversion model based on the single-mode characteristics of noise signals is presented, parameters such as hydrophone spacing, seabed layered structure, seabed sound velocity, seabed density and seabed attenuation will be inversed, and the posterior probability analysis will be used to test the reliability of the inversion results. Finally, experiments on the ocean will be performed，and the validation and optimization of theoretical model and approach will be implemented on the basis of experimental data. Our researches will provide a new approach for the passive acquisition of ocean acoustic environmental parameters with low cost. Relatively accurate and complete ocean acoustic environmental parameters can be acquired with only two receiving hydrophones.

海洋声学环境参数的获取对于水下声学活动具有重要意义。利用简正波单模特征只需要一个主动声源和一个水听器就能反演给出较为完备的海洋声学环境参数，但是主动声源工作时隐蔽性差，一定程度上限制了该技术在军事活动中的应用。针对这一问题，本项目开展基于海洋环境噪声信号单模特征的海洋声学环境参数被动获取研究。首先利用噪声干涉仪技术恢复水中声场格林函数，通过对格林函数做warping变换提取噪声信号的单模特征，进而分析噪声信号各单模特征量对环境参数的敏感度，在此基础上，建立基于噪声信号单模特征的海洋声学环境参数反演模型，对水听器间距、海底分层结构、海底声速、海底密度以及海底衰减等参数进行反演，采用后验概率分析检验反演结果的可信度。最后开展实验研究，利用实测数据验证并优化理论模型和方法。本项目的研究为海洋声学环境参数的低代价被动获取提供新途径，只需要两个水听器就有望能够给出较为准确且完备的海洋声学环境参数。

浅海中，海洋声学环境参数会显著影响水声信号传输特性，进而影响水下目标识别、探测与跟踪性能。传统的底质取样以及主动反演方法等方法成本高、隐蔽性差，无法应用于敏感海域，一定程度上限制了其在军事活动中的应用。事实上，海洋环境噪声中也包含了信道特征，因此可以利用海洋环境噪声信号反演获得海洋声学参数，其具有成本低廉、布放回收简易、隐蔽性高等优势，具有重要应用价值。. 针对这一实际需求，本项目开展了基于海洋环境噪声的海洋环境参数被动获取研究，首先基于简正波理论构建了基于海洋环境噪声信号的简正波频散特征以及幅度特征提取模型，创新性的提出了模态调频小波变换简正波提取方法，相对现有方法，所提方法具有无需人工干预、计算效率高等优势，在工程中具有一定的应用价值；然后利用所提取的噪声信号单模特性对海洋声学环境参数进行分步反演，先用简正波频散特性反演水听器间距、海底分层结构、海底声速与海底密度信息再用反演得到的参数计算单模噪声信号归一化幅度，结合实测单模噪声信号归一化幅度构建代价函数对海底衰减系数进行反演；最后利用实测数据对模型进行了验证，给出了完备的海洋环境参数，通过与其他方法对比验证了反演结果的有效性。. 本项目所提的方法具有成本低廉、实施方便、算法无人化程度高等优点，只需要两个水听器即可实验一定范围海域的海洋环境参数隐蔽获取，通过布设多个分布式系统有望能够实现大范围海域海洋环境参数的被动获取，在工程中具有一定的应用价值。